【摘要】：伴隨著瀝青路面在長大隧道的大規(guī)模應(yīng)用,瀝青材料的火災(zāi)安全性被國內(nèi)外學(xué)者所廣泛關(guān)注。利用阻燃劑提升瀝青的阻燃抑煙性能是解決這一問題的主流技術(shù)手段。目前,阻燃劑的發(fā)展趨勢是無毒、抑煙、高效、復(fù)配化。因此,研究瀝青的熱解燃燒特性,并結(jié)合阻燃劑的發(fā)展趨勢,開發(fā)一種阻燃與路用性能俱佳的高性價比無機(jī)復(fù)合阻燃體系,無疑具有重要的意義和價值。本研究采用熱重-差熱-紅外光譜聯(lián)用、錐形量熱儀等測試分析手段,結(jié)合熱分析動力學(xué)方法,研究瀝青多組分的熱解燃燒特性及動力學(xué)特征,分析氧濃度對瀝青熱解燃燒特性及煙氣釋放規(guī)律的影響；同時,探索微米級氫氧化鈣(HL)和納米蒙脫土(MMT)的阻燃抑煙作用及機(jī)理,并分析二者與氫氧化鋁(ATH)的協(xié)同阻燃作用；最后,提出一種新型的HL/ATH/MMT復(fù)合瀝青阻燃體系(HAM),并對HAM的阻燃抑煙性能與路用性能進(jìn)行研究。得到的主要結(jié)論如下：1.瀝青四組分的熱解均呈明顯的單峰特征,且各組分間熱解的相互影響較弱。其中,飽和分、芳香分和膠質(zhì)均為氣化擴(kuò)散機(jī)理控制,而飽和分的初始熱解溫度最低、失重速率最大、殘余質(zhì)量最小,是決定瀝青點(diǎn)燃特性的關(guān)鍵。瀝青燃燒具有兩階段特征,其中飽和分和瀝青質(zhì)分別主要在第一和第二階段發(fā)生反應(yīng),而芳香分和膠質(zhì)在瀝青燃燒兩階段中的失重占比均較大,抑制芳香分和膠質(zhì)的燃燒對控制瀝青燃燒過程和煙氣釋放極為關(guān)鍵。2.隧道火災(zāi)中燃燒通常在貧氧環(huán)境下進(jìn)行,隨著氧氣濃度的降低,瀝青非氧化熱解比例增加,燃燒的熱釋放速率明顯下降；燃燒第一階段的活化能增加,反應(yīng)出現(xiàn)滯后,甲烷、醛類、烯烴類、芳香族化合物等有機(jī)揮發(fā)分相對析出量增加；而第二階段燃燒強(qiáng)度明顯降低,CO2、CO等燃燒產(chǎn)物的析出量減少,殘渣量增加。此外,隨著升溫速率的增加,瀝青的燃燒速度同步提高,燃燒出現(xiàn)滯后,第一階段失重比例增加,燃燒不完全程度增加。3.氫氧化鈣(HL)在氧指數(shù)和熱釋放速率等指標(biāo)表現(xiàn)出與氫氧化鎂(MH)相當(dāng)?shù)淖枞甲饔?但抑制總發(fā)煙量和CO產(chǎn)率的效果更佳。與MH以氣相阻燃作用為主不同,HL主要起凝聚相阻燃作用,一方面可以抑制飽和分等輕質(zhì)組分的熱解析出,另一方面在瀝青燃燒過程中HL會發(fā)生并行的脫水和碳酸化反應(yīng),碳酸化反應(yīng)生成的CaC03可促進(jìn)瀝青表面形成致密的惰性層,促進(jìn)芳香分和膠質(zhì)發(fā)生交聯(lián)與稠環(huán)化,從而抑制瀝青的燃燒與煙氣釋放。同時,由于HL和氫氧化鋁(ATH)具有不同的阻燃機(jī)理和阻燃作用溫區(qū),兩者復(fù)配可展現(xiàn)出較好的協(xié)同阻燃作用。4.納米蒙脫土(MMT)可促進(jìn)瀝青燃燒表面阻隔層的生成,降低熱釋放速率,延長燃盡時間,但提升瀝青氧指數(shù)的效果不明顯。MMT與ATH具有協(xié)同阻燃的效果,兩者復(fù)配可進(jìn)一步降低瀝青燃燒的熱釋放速率和燃盡率。5.采用MMT制備改性瀝青,并使用HL和ATH替代部分礦粉,形成復(fù)合瀝青阻燃體系(HAM)。當(dāng)HL、ATH和MMT的摻量分別為瀝青質(zhì)量的12.5%、12.5%和3%時,瀝青氧指數(shù)達(dá)25.0%；相比基質(zhì)瀝青混合料,HAM點(diǎn)燃時間延長73 s,平均熱釋放速率和總熱釋放量分別下降35.1%和45.3%,總發(fā)煙量和CO產(chǎn)率分別下降48.6%和55.1%；HAM的混合料高、低溫性能與水穩(wěn)定性也均有明顯提升。HAM不僅阻燃與路用性能俱佳,且性價比優(yōu)勢明顯。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U414

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2531025